KR20170003513U - 열 플라즈마 토치 - Google Patents
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Abstract
열 플라즈마 토치 및 방법이 개시된다. 프로세싱 툴로부터의 유출 스트림을 처리하기 위한 플라즈마 토치 저감 장치는 플라즈마 방전 영역에, 플라즈마 가스로부터 플라즈마 스트림을 생성하도록 배열되는 애노드와 캐소드 및 플라즈마 스트림과 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열되는 유출 스트림 도관을 포함한다. 이런 방식으로, 유출 스트림과 교차하기보다는, 플라즈마 스트림은 오히려 유출 스트림과 함께 유동한다. 이는 플라즈마 단계에서 유출 스트림의 반응 시간을 연장시키는데 도움을 주며 임의의 유출 스트림이 플라즈마 스트림을 완전히 우회할 위험을 감소시킨다. 이는 플라즈마 토치의 저감 효과를 현저히 개선한다.
Description
본 고안은 열 플라즈마 토치(thermal plasma torch)에 관한 것이다. 실시예는 프로세싱 툴(processing tool)로부터 유출 스트림을 처리하기 위한 열 플라즈마 토치 저감 장치에 관한 것이다.
열 플라즈마 토치는 공지되어 있고, 예를 들어 반도체 또는 평판 패널 디스플레이 제작 산업에 사용되는 제작 프로세스 툴로부터의 유출 가스 스트림을 처리하는데 전형적으로 사용된다. 그러한 제작 중에, 잔류 불화 또는 과불화 화합물(PFCs) 및 기타 화합물이 프로세스 툴로부터 펌프되는 유출 가스 스트림 내에 존재한다. 이들 화합물은 유출 가스 스트림으로부터 제거되기 어려우며 환경으로 이들 화합물의 방출은 이들이 비교적 높은 온실 활동을 갖는 것으로 공지되어 있기 때문에 바람직하지 않다.
유출 가스 스트림으로부터 PFCs 및 기타 화합물을 제거하는 하나의 접근방법은 예를 들어, EP 1 773 474 호에 설명된 바와 같은 복사식 버너를 사용하는 것이다. 그러나, 연소에 의한 저감을 위해 일반적으로 사용되는 연료 가스가 바람직하지 않거나 쉽게 이용할 수 없을 때, 플라즈마 토치 저감 장치를 사용하는 것이 또한 공지되어 있다.
저감 장치용 플라즈마는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 마이크로파 플라즈마 저감 장치는 여러 프로세스 챔버의 배기구에 연결될 수 있다. 각각의 장치는 그의 자체 마이크로파 발생기를 요구하는데, 이는 시스템에 상당한 비용을 추가시킬 수 있다. 플라즈마 토치 저감 장치는 확장성 및 (유출 스트림에 존재하거나 저감 반응에 의해 생성되는)분말을 다루는 측면에서 마이크로파 플라즈마 저감 장치보다 유리하다. 실제로, 마이크로파 플라즈마에 관련하여 분말이 존재하면, 이는 반응 튜브의 유전체 특성을 변형시킬 수 있고, 방전을 지속시키는 마이크로파 주입을 비효율적으로 만들 수 있다. 플라즈마 저감 장치에 의해 생성된 플라즈마는 유출 가스 스트림 내의 원하지 않는 화합물을 파괴 또는 감소시키는데 사용된다.
이들 장치가 유출 가스 스트림을 처리하기 위해 존재하지만, 이들 장치는 각각 그들 자신의 단점을 가진다. 따라서, 처리 및 유출 가스 스트림을 위한 개선 된 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
제 1 양태에 따라서, 프로세싱 툴로부터의 유출 스트림을 처리하기 위한 플라즈마 토치 저감 장치가 제공되며, 이 플라즈마 토치 저감 장치는 플라즈마 방전 영역에, 플라즈마 가스로부터 플라즈마 스트림을 생성하도록 배열되는 애노드와 캐소드; 및 플라즈마 스트림과 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열되는 유출 스트림 도관을 포함한다.
제 1 양태는 기존 플라즈마 토치 장치의 저감 효율이 차선책임을 인식한 것이다. 특히, 기존 배열은 플라즈마 토치 장치에 의해 방출되는 플라즈마 스트림을 생성하며 이러한 플라즈마 스트림은 후에 처리될 유출 스트림과 교차한다. 예를 들어, 유출 스트림은 도관을 통해 유동할 수 있으며, 기존의 플라즈마 토치 장치는 도관 상에 원주 방향으로 배치될 수 있어서 유출 스트림의 유동을 반경 방향으로 가로지르는 플라즈마 토치 장치로부터의 플라즈마 스트림이 유출 스트림의 유동과 교차하게 된다. 그러나, 제 1 양태는 유출 스트림이 플라즈마 스트림과 교차할 때 비교적 짧은 반응 시간을 제공하며 유출 스트림 중 일부가 플라즈마 스트림을 심지어 완전히 우회할 수 있음을 인식한 것이다.
따라서, 플라즈마 토치가 제공될 수 있다. 플라즈마 토치는 프로세싱 툴로부터의 유출 스트림을 처리하는 저감 장치용일 수 있다. 플라즈마 토치는 애노드와 캐소드를 포함할 수 있다. 애노드와 캐소드는 플라즈마 가스로부터 플라즈마 스트림을 생성할 수 있다. 플라즈마 스트림은 플라즈마 방전 영역의 내부에 또는 내측에 생성될 수 있다. 플라즈마 토치는 또한, 유출 스트림 도관을 포함할 수 있다. 유출 스트림 도관은 플라즈마 스트림과 함께 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열되거나, 구성되거나 지향될 수 있다. 이러한 방식으로, 유출 스트림과 교차하기보다는 플라즈마 스트림은 오히려 유출 스트림과 함께 유동한다. 이는 플라즈마 단계에서 유출 스트림의 반응 시간을 연장시키는데 도움을 주고 임의의 유출 스트림이 플라즈마 스트림을 완전히 우회하는 위험을 감소시킨다. 이는 플라즈마 토치의 저감 효과를 현저히 개선시킨다.
일 실시예에서, 유출 스트림은 내부로 도입되는 저감 시약을 포함한다. 따라서, H2O, 공기, O2, H2 등과 같은 적합한 저감 시약이 저감 반응을 돕기 위해 유출 스트림에 도입될 수 있다.
일 실시예에서, 애노드, 캐소드 및 유출 스트림 도관은 유동 방향으로 플라즈마 스트림을 생성하고 플라즈마 스트림과 함께 유동 방향으로 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열된다. 따라서, 플라즈마 스트림과 유출 스트림 모두는 이들이 모두 동일한 방향으로 유동하도록 이송될 수 있다.
일 실시예에서, 유출 스트림 도관은 플라즈마 스트림 내에서 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열된다. 따라서, 유출 스트림은 플라즈마 스트림의 내측에 또는 내부로 이송될 수 있다. 또한, 이는 임의의 유출 스트림이 플라즈마 스트림을 우회하는 것을 피하는데 도움을 준다.
일 실시예에서, 애노드, 캐소드 및 유출 스트림 도관은 애노드 및 캐소드 중 적어도 하나와 유출 스트림 사이에 경계층으로서 플라즈마 스트림을 위치시키도록 배열된다. 경계층을 제공함으로써, 고 활성 화합물에 의한 플라즈마 토치의 열화가 감소된다.
일 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며, 유출 스트림 도관은 원추체의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열된다.
일 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 이중 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며, 유출 스트림 도관은 이중 원추체의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열된다.
일 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 이중 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며, 이중 원추체의 각각의 면은 목부(throat)에 의해 결합되며 유출 스트림 도관은 이중 원추체와 목부의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하도록 배열된다.
일 실시예에서, 애노드 및 캐소드는 유동 방향을 중심으로 플라즈마를 회전시키기 위해 플라즈마 가스 유동에 회전 성분을 부여하도록 구성된다. 플라즈마 스트림 또는 플레어(flare)의 안정성을 개선시키기 위해서, 플라즈마 가스는 나선형 유동 또는 와류를 생성함으로써 안정화된다.
일 실시예에서, 애노드 및 캐소드 중 하나는, 애노드와 캐소드 사이의 간극 내에 위치되며 플라즈마 가스 유동에 회전 성분을 부여하도록 구성된 와류 구조를 포함한다. 와류 구조는 애노드와 캐소드의 일부를 형성할 수 있거나 별도의 물품일 수 있다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 가스가 유동하는 간극에 의해 분리된 애노드 내에 수용되는 일반적으로 원통형 본체를 포함한다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드 내에 보어를 포함한다. 따라서, 유출 스트림은 플라즈마 스트림 내에 유출 스트림을 동축으로 위치시키기 위해서 플라즈마 가스가 유동하는 캐소드 내의 보어를 통해 유동하도록 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드를 따라 연장하는 축과 동축으로 정렬된다. 도관은 캐소드의 전체 길이를 따라 연장할 필요도 없으며, 도관이 캐소드의 중심에 위치될 필요도 없다는 것을 이해할 것이다.
일 실시예에서, 도관은 유동 방향을 중심으로 유출 스트림을 회전시키기 위해 유출 스트림에 회전 성분을 부여하도록 구성된다. 따라서, 유출 스트림은 나선형 유동 또는 와류를 발생시킴으로써 또한 안정화될 수 있다. 전형적으로, 유출 스트림은 플라즈마 스트림의 회전과 일치하는 방향으로 회전될 수 있다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드의 플라즈마 방전 영역 전에서 종결되는 라이너(liner)를 포함한다. 라이너를 제공하는 것은 유출 스트림에 의한 캐소드의 열화를 감소시키는데 도움을 준다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 방전 영역에 근접한 높은 일 함수 재료를 포함한다. 높은 일 함수 재료를 제공하는 것은 플라즈마 점화 및 생성을 개선하는 데 도움을 준다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 방전 영역에 근접한 절두-원추형 환형 링을 포함한다.
일 실시예에서, 플라즈마 토치 저감 장치는 플라즈마 방전을 붕괴(breakdown)하고 지속시키도록 작동할 수 있는 전원 공급 유닛을 포함한다.
일 실시예에서, 플라즈마 토치 저감 장치는 애노드에 근접하고 저감을 촉진시키는 시약(예를 들어, H2O, 공기, O2, H2 등)을 수용하도록 작동할 수 있는 반응 구역을 포함한다. 일 실시예에서, 반응 구역은 애노드의 하류일 수 있다.
제 2 양태에 따라서, 프로세싱 툴로부터의 유출 스트림을 처리하는 방법이 제공되며, 이 방법은 플라즈마 방전 영역 내에 애노드 및 캐소드를 사용하여 플라즈마 가스로부터 플라즈마 스트림을 생성하는 단계; 및 플라즈마 스트림과 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 유출 스트립은 그 내부로 도입되는 저감 시약을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 유동 방향으로 플라즈마 스트림을 생성하는 단계 및 플라즈마 스트림과 함께 유동 방향으로 유동하도록 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 플라즈마 스트림 내에서 동축으로 유동하게 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 애노드와 캐소드 중 적어도 하나와 유출 스트림 사이에 경계층으로서 플라즈마 스트림을 위치시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하는 단계 및 원추체의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 이중 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하는 단계 및 이중 원추체의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 이중 원추체의 각각의 면이 목부에 의해 결합되는 이중 원추체로서 플라즈마 스트림을 생성하는 단계 및 이중 원추체와 목부의 축을 따라 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 유출 스트림을 이송하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 유동 방향을 중심으로 플라즈마를 회전시키도록 플라즈마 가스에 회전 성분을 부여하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 플라즈마 가스에 회전 성분을 부여하도록 애노드와 캐소드 사이의 간극 내에 와류 구조를 위치시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 가스가 유동하는 간극에 의해서 분리되는 애노드 내에 수용되는 일반적으로 원통형 본체를 포함한다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드 내에 보어를 포함한다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드를 따라 연장하는 축과 동축으로 정렬된다.
일 실시예에서, 상기 방법은 유동 방향을 중심으로 유출 스트림을 회전시키도록 유출 스트림에 회전 성분을 부여하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 도관은 캐소드의 플라즈마 방전 영역 전에서 종결되는 라이너를 포함한다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 방전 영역에 근접한 높은 일 함수 재료를 포함한다.
일 실시예에서, 캐소드는 플라즈마 방전 영역에 근접한 절두-원추형 환형 링을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 전원 공급 유닛에 의해서 플라즈마 방전의 붕괴 및 지속을 생성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 방법은 애노드에 근접한 반응 구역에서 저감을 촉진시키도록 시약(예를 들어, H2O, 공기, O2, H2 등)을 수용하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 반응 구역은 애노드의 하류일 수 있다.
추가의 특별하고 바람직한 양태는 첨부하는 독립항과 종속항에 기재된다. 종속항의 특징은 적합하다면, 독립항의 특징과 조합될 수 있으며, 이들과 다른 조합으로 청구범위에 명시적으로 기재된다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동할 수 있는 것으로 설명되는 경우에, 이는 그 기능을 제공하거나 그 기능을 제공하도록 적응되거나 구성되는 장치를 포함한다고 이해될 것이다.
이제, 본 고안의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시하며,
도 2는 도 1에 도시된 와류 소자를 더 상세하게 도시한다.
도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시하며,
도 2는 도 1에 도시된 와류 소자를 더 상세하게 도시한다.
실시예들을 임의로 더 상세하게 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다. 실시예는 유출 스트림이 하류 반응 챔버에서 플라즈마 스트림을 간단히 통과하게 하기보다는, 유출 스트림이 동일한 방향으로 함께 유동하도록 유출 스트림이 플라즈마 토치에 의해 플라즈마 스트림과 혼합되는 배열을 제공한다. 특히, 플라즈마 토치는 플라즈마 스트림을 생성하고 플라즈마 스트림과 함께 유동하도록 유출 스트림을 도입하는 도관을 가진다. 유출 스트림이 반응 챔버에서 플라즈마 스트림과 교차시키기 보다는, 유출 스트림과 플라즈마 스트림이 함께 유동하게 하는 것은 반응 시간을 연장시키고 플라즈마 장치가 유출 스트림에 더 많은 에너지를 가하여 저감을 개선하게 한다.
전형적으로, 유출 스트림은 플라즈마 스트림 내에 도입되어, 플라즈마 스트림이 유출 스트림을 둘러싸서 유출 스트림이 플라즈마 스트림을 우회할 가능성을 또한 감소시킨다. 플라즈마 스트림을 발생시키는데 사용되는 플라즈마 가스는 또한, 토치 캐소드를 냉각시키는데 도움을 주며 플라즈마 토치 구성요소의 표면 가까이에 머무르는 경계층을 제공하여 반응 부산물이 이들 구성요소를 부식시키는 정도를 감소시킨다.
플라즈마
토치
도 1은 횡단면도에서 전체적으로 도면 번호 10으로 나타낸 플라즈마 토치를 도시한다. 플라즈마 토치(10)는 일반적으로 관형 애노드(14)의 상류 개구 내에 자리 잡은 일반적으로 관형인 캐소드(12)를 포함한다. 관형 애노드(14)는 일반적으로 그의 표면 둘레에 액체 냉각제를 이동시킴으로써 냉각 상태를 유지한다. 환형 공간(16)이 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 제공되며, 그 공간을 통해 아르곤 또는 질소와 같은 플라즈마 소스 가스가 유동할 수 있다.
캐소드(12) 및 선택적으로 애노드(14)는 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 직류 또는 캐소드(12)와 애노드(14) 중 하나 또는 둘 모두에 교류를 인가하도록 구성될 수 있는 전원(도시 않음)에 전기적으로 접속된다. 요구되는 전류의 크기와 주파수는 일반적으로, 유출 스트림 또는 플라즈마 소스 가스 종 및 유속, 캐소드-애노드 간격, 가스 온도 등과 같은 다른 공정 매개변수를 참조하여 결정되고 선택된다. 플라즈마 방전의 전압 크기는 이들 매개변수에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 어쨌든, 적절한 초기 고전압 체계는 플라즈마 소스 가스가 이온화하여 (붕괴로 알려진 공정에서)플라즈마를 형성하게 한다.
이중 원추체 구성
애노드(14)의 내부 기하학적 구조는 실질적으로 평행한 쪽의 목 부분(20)으로 이어지는 (상류 단부(A)에서 하류 단부(B)로 진행하는)제 1 내향 테이퍼 절두-원추형 부분(18)을 포함하며, 목 부분은 외향 테이퍼 절두-원추형 부분(22)으로 이어진다. 이러한 기하학적 구조의 효과는 유입 가스를 가속 및 압축하여 캐소드(12)의 바로 하류 영역에서 비교적 고속의 비교적으로 압축된 가스의 영역(24)을 생성하는 것이다.
절두 원추형 부분(22)은 저감 반응에 대처하거나 부산물을 처리하는데 필요한 (추가의)시약을 포함하는 반응 영역에 인접할 수 있으며; 예를 들어, 이들 시약은 반응 튜브를 따라 또는 스프레이 노즐에 의해 수벽(water wall)에 의해 공급되는 물일 수 있다.
환형 링
캐소드(12)는 모따기 가공된 자유 단부에 이어지는 일반적으로 원통형인 본체 부분을 포함하며, 그의 외측 기하학적 구조는 애노드(14)의 내향 테이퍼 절두-원추형 부분(18)의 내부 기하학적 구조와 실질적으로 일치한다. 캐소드(12)의 원통형 본체 부분은 구리와 같은 고 전도성 금속으로 제작된다. 캐소드(12)의 모따기 가공된 자유 단부는 환형 링(32)에 의해 형성된다. 환형 링(32)은 캐소드(12) 상에 동축으로 위치된다. 환형 링(32)은 우선적인 방전 사이트를 제공한다. 이는 즉, 캐소드 본체가 환형 링(32)의 열이온성 재료의 열전도율보다 더 높은 열전도율을 갖는 전도성 재료로 형성되도록 환형 링(32)에 대해 캐소드의 주 본체와 상이한 재료를 선택함으로써 달성된다. 예를 들어, 구리 캐소드 본체와 하프늄 또는 토륨 텅스텐 환형 링(32)을 사용하는 것이 전형적일 것이다. 애노드(14)는 캐소드(12)의 주 본체와 유사한 재료, 예를 들어 구리로 형성될 수 있다.
환형 링(32)은 비교적 고속의 비교적으로 압축된 가스의 영역(24)에 위치된다. 그러한 배열의 효과는 플라즈마 소스 가스에 대한 우선적인 방전 영역을 생성하는 것이며 아크는 비교적 압축된 고속 상태의 소스 가스에 의해 공급된다. 따라서 플라즈마 방전은 캐소드(12) 바로 아래의 작은 영역(24)에서 응집되고, 애노드(14)의 절두-원추형 부분(18)에 의해 안내되고 목 부분(20)을 통해 제트로서 빠져 나가고 그 후 애노드(14)의 외향 테이퍼 절두-원추형 부분(22)에서 팽창되고 감속된다.
플라즈마를 생성하기 위해서, 플라즈마 소스 가스(전형적으로 질소 또는 아르곤과 같은 적당히 불활성인 이온화 가능한 가스)는 입구 매니폴드(도시 않음)를 통해 환형 공간(16)으로 이송된다. 플라즈마 토치(10)를 개시 또는 시동시키기 위해서, 환형 링(32)과 애노드(14) 사이에서 붕괴가 먼저 생성되어야 한다. 이는 전형적으로, 플라즈마 토치(10)용 전원(도시 않음)과 관련된 발생기에 의해 제공될 수 있는 고주파수의 고전압 신호에 의해 달성된다. 캐소드(12)의 본체와 환형 링(32) 사이의 열 전도율의 차이는 캐소드 온도가 더 높을 것이며 전자가 환형 링(32)으로부터 우선적으로 방출됨을 의미한다. 그러므로, 신호가 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 제공되면, 아크 방전이 영역(24)으로 유동하는 플라즈마 소스 가스에서 유도된다. 아크는 애노드(14)와 캐소드(12) 사이에 전류 경로를 형성하며, 그 후에 플라즈마가 애노드(14)와 캐소드(12) 사이의 제어된 직류에 의해 유지된다. 목 부분(20)을 통과하는 플라즈마 소스 가스는 이온화된 플라즈마 소스 가스의 높은 모멘텀의 플라즈마 플레어를 생성한다.
와류 소자
대부분의 경우에, 플라즈마 플레어는 불안정하고 애노드 부식을 일으킬 수 있다. 따라서, 애노드(14)와 캐소드(12) 사이에 플라즈마 소스 가스의 나선형 유동 또는 와류를 생성시킴으로써 안정화될 필요가 있다. 이러한 나선형 유동 또는 와류는 아크가 회전하여 그의 부착 지점을 변화시킴으로써 애노드 부식을 피하게 한다. 와류 또는 가스 와류를 생성하는 하나의 방법은 캐소드(12)의 표면 상에 와류 소자(40)를 사용하는 것이다.
도 2에 더 상세히 도시된 바와 같이, 와류 소자(40)는 플라즈마 소스 가스의 서브 스트림에 대해 비-축 방향 유동 채널을 형성하는 복수의 비선형(예를 들어, 부분-나선형)홈(44) 또는 수로(46)를 포함한다. 수로(46) 또는 홈(44)의 효과는 플라즈마 소스 가스의 별개의 서브 스트림이 나선형 궤적을 따라 유동하게 함으로써 가스의 개별 서브 스트림이 수렴하는 영역(24)에 와류를 생성하는 것이다. 가스가 목 부분(20)을 통해 빠져나갈 때 가스의 모멘텀의 회전 성분은 플라즈마 제트가 자체-안정화되게 한다.
와류 소자(40)는 구리, 스테인리스 스틸 또는 텅스텐과 같은, 200 ℃ 초과의 온도에서 견딜 수 있는 전기 전도성 금속 또는 합금으로 형성된다. 이러한 예에서, 와류 소자(40)는 일체형이고 캐소드(12)와 동일한 재료로 형성된다. 그러나, 와류 소자(40)는 캐소드 본체에 단단히 결합되고 전기적으로 접속되는 개별 소자일 수 있다.
절연 라이너
토치(10)가 기능을 하기 위해서, 캐소드(12)와 애노드(40)는 서로 전기적으로 절연되어야 한다. 그 때문에, 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에 개재되어 이들 모두와 접촉하는 임의의 소자는 전기적으로 절연되어야 한다.
따라서, 와류 소자(40)의 외부 표면은 와류 소자(40)의 외부 표면과 애노드(14)의 내부 표면 사이에 동축으로 개재되는 환형 세라믹 라이너(50)의 내부 표면과 협력하여 세라믹 전기 절연체(electrical break)를 제공하도록 형성된다. 세라믹 라이너(50)의 하류 단부는 환형 링(32)의 외부 기하학적 구조와 일치하는 내부 모따기 가공된 부분을 가진다. 세라믹 라이너(50)는 환형 리세스(54)의 기하학적 구조와 일치하는 반경 방향 최외측 표면(56) 및 애노드(14)의 테이퍼 표면(18)의 연속부분이고 그 테이퍼 표면과 동일면 상에 위치되는 반경 방향 최내측 표면(58)을 가진다. 세라믹 라이너(50)는 안정화 플라즈마 소스 가스 와류를 형성하기 위해 와류 소자(40)와의 협력하도록 위치된다. 세라믹 라이너(50)는 와류 소자(40)의 각각의 축 방향 쪽 또는 적어도 하류 축 방향 쪽으로 연장할 수 있어서 와류 소자(40)와 애노드(14) 사이에서 아크가 발생하지 않게 보장한다.
조립될 때, 캐소드(12)는 구리 애노드(14) 내에 동심으로 위치되는 세라믹 라이너(50) 내에 동심으로 위치된다. 따라서, 애노드(14)와 캐소드(12)는 그 사이에 도관(16)을 제공하도록 서로 이격된다. 나선형 수로 또는 홈을 와류 소자(40) 내에 형성하기보다는, 이들이 오히려 세라믹 라이너(50) 내에 형성될 수 있음을 이해할 것이다.
세라믹 라이너(50)는 캐소드(12)와 애노드(14) 사이에서 전기 절연체로서의 기능하는 유전체 재료로 제작되고 또한 고도의 반응성 플라즈마 이온에 의한 화학적 침식에 다소 내성을 가진다. 세라믹 라이너(50)는 모두가 높은 내열성과 전기 절연성을 가지는, 고온 수지, 운모, 유리 및 붕규산염(예를 들어, 코닝 인터내셔날(corning International)에 의해 제조된 MACOR® 또는 DOTHERM GmbH & Co. KG에 의해 만들어진 DOTEC® 또는 DOTHERM®), 질화 붕소, 질화규소 또는 알루미나에 의해 형성되는 재료와 같이 상업적으로 이용 가능하고, 저렴하고 용이한 기계 가공성 세라믹으로 형성된다.
유출 도관
캐소드(12)에는 이를 통해 연장하는 보어(60)가 제공된다. 이러한 예에서, 보어(60)는 동축 및 동심으로 배열된다. 보어(60)는 유출 스트림이 통과하는 세라믹 라이너(62)로 라이닝된다. 유출 스트림은 입구(도시 않음)를 통해 도입되고 방향(A에서 B)으로 유동한다. 저감 반응(예컨대, H2O, 공기, O2, H2 등)에 필요한 추가 시약은 세라믹 라이너(62)에 의해 만들어지는 보어(60) 내에서 유출 스트림과 혼합될 수 있다. 세라믹 라이너(62)는 하류 단부에 테이퍼 부분을 가지며, 이는 환형 링(32)의 부근에서 세라믹 라이너(62)의 두께를 감소시킨다. 세라믹 라이너(62)는 세라믹 라이너(50)와 유사한 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 실시예에서 세라믹 라이너(62)가 캐소드(12) 내에서 동심 및 동축으로 정렬되지만, 이는 반드시 그러한 것은 아니며 또한 다수의 도관이 제공될 수 있음을 또한 이해할 것이다.
작동시, 일단 플라즈마 와류가 생성되면, 유출 스트림은 세라믹 라이너(62)를 통해 이송되어 영역(24)으로 도입된다. 유출 가스 스트림은 플라즈마 와류에 의해 둘러싸이고 플라즈마 와류 및 유출 스트림이 제 1 내향 테이퍼 절두-원추형 부분(18)으로부터 목 부분(20) 및 외향 테이퍼 절두-원추형 부분(22)을 통해 통과하는 전체 기간 동안 저감이 발생한다. 이는 반응 시간을 연장시킴으로써 저감을 개선하는 것을 돕는다. 또한, 유출 스트림이 플라즈마 와류 내로 도입되기 때문에, 유출 스트림이 플라즈마 스트림을 우회할 가능성이 최소화된다. 이는 저감의 효과를 현저히 개선한다. 또한, 회전 플라즈마 소스 가스의 제공은 유출 스트림 및 저감 부산물이 애노드(14) 또는 캐소드(12)와 접촉하는 것을 방지하는 배리어(barrier)로서의 역할을 하는 경계층을 제공한다.
전술한 바와 같이, 공정 가스 유동과 같은 유출 스트림의 효율적인 플라즈마 저감의 핵심은 장치의 부식 및 막힘을 방지하면서 유출 스트림을 열(고온) 플라즈마와 신속하고 완전한 혼합을 보장하는 것이다. 실시예는 플라즈마 토치 내의 플라즈마와 혼합될 유출 가스 스트림을 제공함으로써, 유출 스트림이 플라즈마를 우회할 기회를 거의 제공하지 않는다. 실시예는 반응 부산물로부터 플라즈마 토치의 구성요소를 보호하기 위한 배리어로서 플라즈마를 이용한다. 특히, 플라즈마 소스 가스의 저온 경계층은 플라즈마 토치의 구성요소의 표면 가까이에 머물며, 따라서 반응 부산물이 이들을 부식시키는 정도를 감소시킨다.
실시예는 유출 스트림이 주입되는 관형 캐소드(12)를 갖는 와류 안정화 DC 아크 플라즈마 토치를 제공한다. 와류 안정화의 사용은 유출 스트림 및 유출 스트림 저감 부산물이 애노드(14) 및 캐소드(12)와 접촉하는 것을 방지하는 동시에, 또한 유출 스트림 유동을 포획하여 (플라즈마의 가장 고온 및 반응성 부분인)플라즈마 회전 아크의 중앙 코어를 통과하게 강요하는 배리어로서의 역할을 하는 질소 플라즈마 원추체를 생성한다. 이는 그의 붕괴를 위해 특히 고온을 요구하는 화합물인 CF4 저감을 획기적으로 개선할 수 있다.
실시예에서, 캐소드(12)는 증착을 감소시키고 폴리(poly) 및 금속 에칭 공정으로부터의 유출 스트림 부산물로 인한 부식을 방지하는 캐소드(12)의 더 높은 작동 온도를 허용하는 (기존의 기술에서 사용되는)물 대신에 질소 가스에 의해 냉각된다. 또한, 캐소드(12)에 의해 예열되는 이러한 질소 스트림은 후에 플라즈마 공급원으로서 사용되어 캐소드(12)로부터 손실된 열을 플라즈마 토치로 효과적으로 다시 전달한다. 이는 전형적으로 전력 손실의 약 5 %를 절약하는데 도움을 준다. 애노드(14) 및 캐소드(12)의 형상 및 특징으로 인해, 작동 전압은 더 높아질 것이며, 이는 또한 전류를 감소시킴으로써 효율을 개선한다. 전류를 감소시키는 것은 또한 아크 부식 속도가 주로 아크 전류에 의존하기 때문에 캐소드(12) 및 애노드(14) 모두의 부식 속도를 감소시키는데 도움을 준다.
토륨 텅스텐 환형 링(32)은 점화 중에 플라즈마 아크를 시드(seed)하기 위한 실질적인 표면을 제공하며 예외적으로 내열성이다. 와류 소자(40)의 크기 및 형상은 구성 재료에 대해 캐소드(12)를 충분히 냉각시키는데 도움을 주지만 금속 에칭 공정 가스 및 부산물의 응축을 방지하기 위해 약 200 ℃의 온도를 유지한다.
본 고안의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 상세히 개시되었지만, 본 고안은 정확한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 변경 및 수정이 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 정해지는 바와 같은 본 고안의 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 본 고안에서 실시될 수 있음을 이해된다.
Claims (16)
- 프로세싱 툴로부터의 유출 스트림을 처리하기 위한 플라즈마 토치 저감 장치에 있어서,
플라즈마 방전 영역에, 플라즈마 가스로부터 플라즈마 스트림을 생성하도록 배열되는 애노드와 캐소드; 및
상기 플라즈마 스트림과 동축으로 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는 유출 스트림 도관을 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 유출 스트림 도관은 상기 유동 방향으로 상기 플라즈마 스트림을 생성하고 상기 플라즈마 스트림과 함께 상기 유동 방향으로 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 유출 스트림 도관은 상기 플라즈마 스트림 내부에서 동축으로 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 유출 스트림 도관은 상기 애노드와 상기 캐소드 중 적어도 하나와 상기 유출 스트림 사이에 경계층으로서 상기 플라즈마 스트림을 위치시키도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드와 상기 캐소드는 원추체로서 상기 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며 상기 유출 스트림 도관은 상기 원추체를 따라 상기 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드와 상기 캐소드는 이중 원추체로서 상기 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며 상기 유출 스트림 도관은 상기 이중 원추체를 따라 상기 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 및 상기 캐소드는 이중 원추체로 상기 플라즈마 스트림을 생성하도록 구성되며, 상기 이중 원추체의 각각의 면은 목 부분에 의해 결합되며 상기 유출 스트림 도관은 상기 이중 원추체와 상기 목 부분의 축을 따라 상기 플라즈마 스트림 내에서 유동하게 상기 유출 스트림을 이송하도록 배열되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드 및 상기 캐소드는 상기 유동 방향을 중심으로 상기 플라즈마를 회전시키기 위해 상기 플라즈마 가스에 회전 성분을 부여하도록 구성되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 애노드와 상기 캐소드 중 하나는, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 간극 내에 위치되며 상기 플라즈마 가스에 상기 회전 성분을 부여하도록 구성된 와류 구조를 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 플라즈마 가스가 유동하는 간극에 의해 분리되는 상기 애노드 내에 수용되는 일반적으로 원통형인 본체를 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 도관은 상기 캐소드 내에 보어를 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도관은 상기 캐소드를 따라 연장하는 축과 동축으로 정렬되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도관은 상기 유동 방향을 중심으로 상기 유출 스트림을 회전시키기 위해 상기 유출 스트림에 회전 성분을 부여하도록 구성되는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도관은 상기 캐소드의 상기 플라즈마 방전 영역 전에서 종결되는 라이너를 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 플라즈마 방전 영역에 근접한 높은 일 함수 재료를 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 플라즈마 방전 영역에 근접한 절두-원추형 환형 링을 포함하는
플라즈마 토치 저감 장치.
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